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欧洲掀起绿色钢铁行动 绿氢绿电存在巨大缺口

文章来自:科普中国
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发布时间:2022-08-12 16:35:12
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钢铁行业是碳排放密集程度最高、最难脱碳的行业之一,2020年钢铁行业碳排放量占全球总量的7.2%。根据世界钢铁协会数据,平均每生产1吨钢排放1.851吨二氧化碳。

欧盟钢铁行业温室气体年排放量达到2.21亿吨,占欧盟总排放量的5.7%,约等于法国整个国家的年排放量。在欧盟碳交易体系中,前五大工业排放源都属于钢铁行业。

目前,欧洲钢铁行业正走在雄心勃勃的脱碳道路上,即到2030年将碳排放量比1990年的水平减少55%,并到2050年可以达到80%~95%的减排成果。

为此,欧洲的钢铁行业掀起了一场绿色钢铁行动。欧洲钢铁联盟已经制定了一套明确的路径方案,确保欧洲能够继续走在符合《巴黎气候协定》要求的轨道上,同时也使欧洲钢铁适应清洁、低碳的未来。

与此同时,包括汽车制造商在内的越来越多的客户,现在也呼吁钢铁供应商未来以气候中和的方式进行生产,并要贯穿价值链的所有阶段。

01 清洁氢是钢铁行业脱碳最具前景的解决方案

基础炼铁过程中会使用到三种还原剂:碳、氢和电。因此,任何清洁生产工艺的目标都是从碳转向氢气和/或电力。根据落基山研究所的最新报告,在清洁效率和技术成熟度的综合考虑下,氢冶金,尤其是清洁氢冶金,是最具前景的钢铁行业脱碳解决方案之一。

氢气炼钢是以氢代替碳作为还原剂,从而降低碳还原的碳排放,针对的是钢铁生产流程中的炼铁工艺,即长流程中的高炉炼铁和短流程中的直接还原炼铁环节,全部采用废钢的短流程由于取消了炼铁环节,不涉及氢冶金。对于长流程,除了消除还原反应的碳排放,还可以省去煤炭焦化环节产生的碳排放。

氢在冶炼中的应用方式一般有三种,即高炉富氢冶炼、氢直接还原铁和氢熔融还原铁。高炉富氢冶炼是指将氢气与现有还原剂混合后,在冶炼过程中所产生的还原反应。该方法可以减少还原反应的碳排放,却不能实现零碳,不过仍可被视为一种渐进式的减碳方案。在中国,宝武钢铁正在新疆进行高炉富氢冶炼试点项目,与碳循环等其他减碳技术共同作用,其目标是实现30%以上的碳减排。

氢直接还原铁是指通过氢基还原反应直接还原固体铁矿石,该路径有潜力实现几乎完全脱碳。目前,众多钢铁企业已经开始进行此类技术的试点项目。河钢集团正在与意大利特诺恩公司合作建设一座氢能直接还原铁工厂。SSAB已经向沃尔沃交付了首批氢基无化石能源钢。而安赛乐米塔尔在德国汉堡建造了一座氢直接还原铁绿色示范钢厂。

氢熔融还原铁是指将熔融还原与氢还原相结合,以此来减少焦化和铁矿石烧结前的处理步骤。建龙钢铁的氢熔融还原冶炼项目已在中国内蒙古成功投产。为了实现纯氢离子熔融还原铁的最终目标,建龙集团在煤基熔融还原铁的工艺中混入了氢气。

根据落基山研究所的最新报告,在清洁效率和技术成熟度的综合考虑下,氢冶金,尤其是清洁氢冶金,是钢铁行业完全脱碳的最关键、最有前途的解决方案之一。在可行使命伙伴关系的气候一致性情景下,到2050年,全球钢铁行业的氢需求将达到3500-5500万吨。

02 欧洲钢铁厂的绿色行动

欧洲钢铁企业纷纷开始制定各自的碳中和目标并着手研制绿色钢铁。最具代表性的是SSAB(瑞典钢铁集团),其提出“到2045年实现无化石燃料冶金、2026年投放无化石燃料钢铁产品”的总体目标。2016年,SSAB与瑞典电力企业Vattenfall公司、瑞典LKAB矿业公司就氢基直接还原铁项目HYBRIT进行合作,其工艺旨在用氢气和可再生电力取代传统上用于矿石制钢的焦煤。

与此同时,HYBRIT 正在探索生产用于直接还原铁工厂的铁矿石球团的替代方法。该工艺目前使用化石燃料,但 HYBRIT 已尝试使用造纸产生的生物油副产品,并计划测试以氢为基础的加热来制造颗粒。

该工厂在2021年向沃尔沃完成了首次商业交付,其绿钢产品将于今年三季度用于沃尔沃卡车的生产,而沃尔沃也表示力争在2026年成为第一家大规模使用绿色钢铁生产汽车的公司。

在绿色钢铁需求的不断增加和减排压力持续加大的驱动下,欧洲的钢铁巨头们在绿色钢铁领域不断加注,仅在近一个月内就大动作频频。

6月22日,钢铁巨头安赛乐米塔尔和能源公司 RWE签署了一份谅解备忘录,将共同开发、建设和运营海上风电场和氢设施,这些设施将提供生产低排放钢铁所需的可再生能源和绿色氢。该合作的重点是推动碳中和钢的生产,并计划用风能和绿色氢替代煤炭,作为安赛乐米塔尔钢铁生产的主要能源。

6月30日,数个跨行业公司组成了一个名为“GravitHy”的财团,该财团将计划投资22亿欧元运行一项绿钢新计划。该计划将涉及安装约 650 兆瓦的电解槽容量,这将是欧洲最大的电解槽之一,届时将每年生产 110,000 吨氢气,用于生产用于绿色钢铁制造的氢衍生直接还原铁 (DRI),并将在法国南部建造一座200万吨/年的直接还原铁工厂。

7月11日,德国钢铁巨头蒂森克虏伯与英国石油公司(BP)签署谅解备忘录,以期实现钢铁生产所用的低碳氢以及可再生能源的长期供应。蒂森克虏伯计划通过用低碳氢还原铁矿石的直接还原工厂取代燃煤高炉,以加快其脱碳进程。

7月13日,德国钢铁生产商萨尔茨吉特批准了SALCOS ?项目第一阶段开发所需的7.23 亿欧元资金,这是迄今为止对绿色钢铁的最大投资,新的绿氢炼钢设施将每年生产 190 万吨绿色钢材,助力萨尔茨吉特2033 年底前实现其业务脱碳的目标。

欧洲钢铁协会总干事AxelEggert6月1日在一个清洁钢铁合作网络研讨会上表示,欧洲钢铁行业未来十年实施的60个脱碳项目,将使该行业的直接和间接二氧化碳排放量减少三分之一,即8150万吨。这些项目的资本支出约310亿欧元,基于氢气和绿色电力价格的不确定性,项目运营成本估计高达550亿欧元。一吨绿色钢材的价格最初可能比同类传统高炉路线产品高35%-100%,但随着时间的推移,预计绿色钢材将越来越具有竞争力。

03 绿钢生产将带来大量可再生能源缺口

氢气炼钢的减排潜力确实很大,但要实现真正的绿钢生产,需要确保通过可再生能源生产绿色氢气,此外氢还原铁吸热反应所需要的热量也需通过可再生能源来提供。如果氢气炼钢只着眼于单一环节,那也不过是拆东墙补西墙,反而有违氢气炼钢的初衷。而这将大大提高可再生能源的需求,为可再生能源的供给带来极大挑战。

根据欧洲氢能贸易协会的最新报告《太阳能钢铁:绿色钢铁制造的技术经济评估》,仅仅改造一家年产400万吨粗钢产量的钢铁厂,将需要1.2-1.3GW的可再生能源驱动的电解器满负荷运行,以产生足够的绿色氢气来从铁矿石中提取铁。如果使用可变的可再生能源电力,并且电解槽不能在恒定的满负荷下运行,那么挑战就更大了。当完全使用太阳能光伏发电来制氢时,所需的电解功率将增长到4.5-5.0 GW左右,这将使平均产能的单个工厂所需的资本支出从33亿欧元增加到近70亿欧元。

报告同时表示,欧盟所有已安装的BF-BOF工厂的总量约为每年1.03亿吨热金属,将所有这些工厂转为以氢为基础的DRI/EAF可能每年节省多达1.96亿吨的温室气体排放,但为了做到这一点,需要多达530吨的可再生氢和多达370TWh的额外可再生发电量。

根据Recharge的计算,在北欧太阳能发电的平均容量系数为12%,生产370TWh需要超过350GW的光伏板。欧洲风机的平均容量系数为26%,生产370TWh的风能则将需要超过160GW的风力涡轮机。

国际可再生能源机构的数据显示,截至2021年底,欧盟有187.5GW的风力发电和160.3GW的太阳能发电装置安装容量。

因此,钢铁行业的脱碳将带来可再生能源的巨大缺口。根据欧洲风能协会WindEurope和钢铁协会Eurofer发布的估计,用于绿色钢铁制造的氢气生产可能会吞噬欧盟REPowerEU一揽子计划中增加的风电产能目标的一半以上。

从焦炭炼钢到氢能炼钢,表面上只是还原方法的不同,但要实现降低碳排放的目标,需要整个流程系统性的规划和配套产业链的发展,做到绿色制氢、绿色用氢。氢能炼钢需要突破一些现实挑战,才能实现大规模应用。这意味着除了钢铁行业本身,整个价值链模式也需要显著的转型。

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